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Dokumentenidentifikation DE69935653T2 13.12.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001017196
Titel Verfahren und System zur Datenübertragung unter Verwendung von Datensignalisierung in sowohl Differenz- als auch Gleichtaktmoden
Anmelder Lucent Technologies Inc., Murray Hill, N.J., US
Erfinder Gabara, Thaddeus J., Union, New Jersey 07974, US
Vertreter Klunker, Schmitt-Nilson, Hirsch, 80797 München
DE-Aktenzeichen 69935653
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 10.12.1999
EP-Aktenzeichen 993099399
EP-Offenlegungsdatum 05.07.2000
EP date of grant 28.03.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.12.2007
IPC-Hauptklasse H04L 5/20(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse H04L 25/02(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung richtet sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung für das Übertragen von Daten. Insbesondere bezieht sich diese Erfindung auf eine Technik für das Erhöhen des Datendurchsatzes auf einem Differenzdatenausgang.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Eine Haupteinschränkung in vielen Datenverarbeitungsschaltungen ist die Anzahl von verfügbaren Datenausgangssignalen. Dies trifft besonders im Fall von integrierten Schaltungen zu, wo die Anzahl von Schaltungselementen die der verfügbaren Ausgangsstifte weit übersteigt. Dementsprechend ist es wünschenswert, unter Verwendung der Mindestanzahl von Verbindungen so viele Daten wie möglich zwischen zwei Punkten zu übertragen.

In einem herkömmlichen "unsymmetrischen" Datenübertragungsverfahren wird ein einzelnes Datensignal durch das Variieren eines Signalattributs, wie z.B. Strom oder Spannung, über einen Datenkanal, wie z.B. einen Draht, geschickt. Zum Beispiel kann bei einer digitalen Datensignalübertragung das Übertragen eines 0 Volt-Signals ein digitales Null-Bit anzeigen, während das Übertragen eines 5-Volt-Signals ein digitales Eins-Bit anzeigt. Dieses herkömmliche Verfahren für Datensignalübertragung ist geeignet, wenn die Signalpegel weit beabstandet und gut definiert sind. Jedoch ist der Energieverbrauch von elektronischen Vorrichtungen in letzter Zeit ein wichtiges Thema geworden. Um dieses Problem anzugehen, wurden die Versorgungsspannungen und die Trennung zwischen verschiedenen Datenpegeln wesentlich reduziert. Trennungen im Bereich von nur mehreren hundert Millivolt sind nicht ungewöhnlich. Leider sind unsymmetrische Datenübertragungen relativ anfällig für Rauschen und wird, wenn Signalschwankungen reduziert werden, Rauschen zu einem ernsthaften Problem und sogar ein kleines Störungsausmaß kann die Zuverlässigkeit der Schnittstelle ernsthaft verschlechtern.

Eine herkömmliche Lösung für Leitungsrauschen bestand bis jetzt darin, einen Differenztakttyp für Signalübertragung zu verwenden. Ein einziges Datensignal wird über zwei Drähte übertragen, von denen jeder eine Signalkomponente führt. Die zwei Komponenten werden allgemein von dem gleichen Quellendatensignal abgeleitet und werden so variiert, dass das Datensignal als der Unterschied zwischen den Signalpegeln der zwei Signalkomponenten übertragen wird.

In digitalen Umgebungen werden Differenzdatensignale als zwei Spannungssignale von entgegengesetzter Polarität relativ zu einem Bezugspegel übertragen (Differenzspannungssignalübertragung). Die übertragenen Daten werden durch das Bestimmen, welche Signalkomponente eine größere Spannung hat, extrahiert. Durch das Ändern der Spannungspolarität der Signalkomponenten können die erwünschten Daten übertragen werden. Alternativ kann eine Stromsignalübertragung verwendet werden, bei der ein Differenzsignal als zwei Stromsignale dargestellt wird, die in entgegengesetzte Richtungen auf einer geschlossenen Schleife fließen. Die Richtung des Stromflusses zeigt die Polarität des übertragenen Digitalsignals an. Durch das Ändern der relativen Polarität der Spannungssignalkomponentenrichtung des Stromflusses können die erwünschten Daten übertragen werden.

Differenztaktsignalübertragung schafft eine stark verbesserte Rauschimmunität, weniger Energieverbrauch als auch weniger Rauscherzeugung und wird deshalb weithin verwendet, um Digitalschaltungen auf separaten Chips und Leiterplatten miteinander zu verbinden. Jedoch besteht ein wesentliches Problem bei der Differenzübertragung darin, dass zwei Drähte erforderlich sind, um ein Datensignal zu übertragen. Dies ist ein besonders ernsthaftes Problem, wenn integrierte Schaltungen betroffen sind, da die Anzahl von verfügbaren Eingangs- und Ausgangsstiften äußerst beschränkt ist. Es ist deshalb wünschenswert, die Datenmenge, die über eine digitale Datenschnittstelle übertragen werden kann, zu erhöhen und gleichzeitig die mit zweidrahtiger Differenzsignalübertragung verbundenen Vorteile bezüglich Energie und Rauschimmunität zu bewahren. Es ist auch wünschenswert, zusätzliche Information über eine zweidrahtige Differenzschnittstelle zu übertragen, ohne die Genauigkeit des ursprünglichen Differenztaktsignals zu verringern und ohne die Anzahl von erforderlichen Schnittstellendrähte zu erhöhen.

Differenzsignalübertragung wurde auch in der Telekommunikationsumgebung verwendet, besonders im Zusammenhang mit zweidrahtiger "verdrillter" Audiokommunikation. Sende- und Empfangsschaltungen sind unter Verwendung von Transformatoren mit der Schnittstelle gekoppelt. Im Zusammenhang mit Audiokommunikation über Telefonkabel wurden die Kopplungstransformatoren mit einem Mittelabgriff versehen, um zu ermöglichen, dass ein zusätzliches Signal auf dem verdrillten Draht-Paar übertragen wurde. Zwei mit Mittelabgriff versehene Schaltungen wurden wie in 1 gezeigt unter Verwendung von Transformatoren kombiniert, um eine "Phantomschaltung" zu schaffen. Wie gezeigt, werden zwei Analogsignale auf eine normale Art über jedes der symmetrischen Paare übertragen. Ein drittes Analogsignal wird über die vier Drähte durch die Mittelabgriffe der Transformatoren übertragen. Vorausgesetzt, dass alle vier Drähte genau symmetrisch sind, werden die ersten zwei Signale nicht von Strömen beeinflusst, die durch die Mittelabgriffe der Transformatorwicklungen eintreten und austreten.

Ein wesentlicher Nachteil dieses Schaltungstyps ist die einschränkende Natur der Transformatorkopplung. Transformatoren sind Strukturen mit einem relativ schmalen Bandpass und die Attribute der in einer speziellen Anwendung verwendeten Transformatoren müssen gemäß einer vorherbestimmten und begrenzten Eingangssignalbandbreite gewählt werden. Für Standardtelefonie ist diese Grenze 300 Hz bis 3300 Hz. Signale mit einer Frequenz außerhalb der vorgesehenen Bandbreite werden von der Transformatorschnittstelle gedämpft und von dem System nicht weitergeleitet. Folglich sind, während Phantomschaltungen für das Übertragen eines dritten Signals mit beschränkter Bandbreite über zwei Schmalbandstimmensignalen geeignet sein mögen, auf Transformatoren basierende Schaltungen ungeeignet für Datenkommunikation mit Breitband oder variablem Band. Insbesondere sind sie ungeeignet für digitale Kommunikation, da die pseudo-zufällige Natur von Digitalsignalen zu Signalfrequenzen führt, die je nach dem Dateninhalt von null Hertz für eine Reihe von Bits mit der gleichen Polarität bis zu mehreren Giga-Hertz reichen können. Ein zusätzlicher Nachteil bei diesem Typ von Schaltungsanordnung ist die Schwierigkeit, eine symmetrische Schnittstelle aufrecht zu erhalten, wenn mehr als ein paar verdrillte Drähte vorhanden sind. Dies ist besonders schwierig, da die Schnittstellenmerkmale entlang der Länge eines Telefonkabels auf Grund von Verschiebung der relativen Position eines Paars von Drähten in Bezug auf andere und die Mittelabgriffe der verschiedenen Drähte variieren, wenn zusätzliche Teilnehmer verbunden werden.

Das US-Patent mit der Nummer 5 592 510 offenbart eine Anordnung in einer Treiberschaltung für ein verdrilltes Paar aufweisendes Kabel mit einem Kompensator für das Verhindern eines wesentlichen Gleichtaktstromflusses in das ein verdrilltes Paar aufweisendes Kabel oder daraus heraus als Antwort darauf, dass die Vorrichtung einen breiten Bereich von Gleichtaktvorspannungspegeln empfängt. WO 97/32252 offenbart ein Verfahren für das dynamische Verbessern eines Datenspeichersystems, Diplex-Computerkommunikation und einen Diplexer, wobei der Diplexer und die Diplex-Kommunikation in einem dynamisch verbesserbaren Scheibenanordnungs-Chassis verwendet werden können. WO 98/28887 offenbart ein System für das Übertragen von Information von einer Quelle an ein Ziel unter Verwendung von mehrpegeliger Signalübertragung. Mehrere Leiter sind zwischen die Übertragungsquelle und das Übertragungsziel gekoppelt. Mehrere Treiber sind mit den Leitern an der Übertragungsquelle gekoppelt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Schaltung für das Übertragen von digitalen Daten nach Anspruch 1 vorgesehen. Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist eine Schaltung für das Empfangen eines ersten digitalen Signals, das als eine erste und eine zweite Differenzsignalkomponente übertragen wird, und für das Empfangen eines zweiten digitalen Signals, das als ein eingekoppeltes Gleichtaktsignal übertragen wird, das von Differenzsignalkomponenten geführt wird, nach Anspruch 6 vorgesehen. In einem dritten Aspekt sieht die vorliegende Erfindung ein System für das Übertragen und Empfangen eines ersten und eines zweiten digitalen Signals über eine Schnittstelle mit einem ersten und einem zweiten Ende nach Anspruch 8 vor. In einem vierten Aspekt sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren für das Übertragen von digitalen Daten nach Anspruch 10 vor.

Gemäß der Erfindung wird eine zweidrahtige Datenschnittstelle mit einer Ausgangsstufe, die eine Breitband- oder Allpass-Differenzschaltstruktur aufweist, verwendet, um digitale Daten unter Verwendung von Differenzsignalübertragung zu übertragen. Die Ausgangsstufe weist eine Gleichtakteinkopplungsschaltung, wie z.B. ein über der Schnittstelle platziertes Widerstandsnetzwerk auf, das verwendet wird, um einen Gleichtaktstrom oder eine Gleichtaktspannung auf eine Weise, die die zwei Differenzsignalkomponenten in im Wesentlichen dem gleichen Ausmaß beeinflusst, auf die Schnittstelle einzukoppeln. Da der Unterschied zwischen den zwei Signalkomponenten konstant bleibt, bleibt das Differenztaktsignal unverändert. Eine Eingangsstufe ist vorgesehen, um das Differenzsignal zu detektieren, und hat eine Extraktionsschaltung, die ein zweites Widerstandsnetzwerk sein kann, um den übertragenen Gleichtaktsignalpegel zu extrahieren. Alternativ kann das Gleichtaktsignal in eine den Differenzdaten entgegengesetzte Richtung eingekoppelt werden (d.h. die Einkopplungsschaltung ist in der Eingangsstufe und die Extraktionsschaltung ist in der Ausgangsstufe).

Dementsprechend werden zwei Datendrähte verwendet, um ein erstes digitales Datensignal unter Verwendung von Differenzsignalübertragung zu übertragen und ein zweites Gleichtaktsignal in die gleiche Richtung wie das Differenzsignal oder die dem Differenzsignal entgegengesetzte Richtung zu übertragen. In einer bevorzugten Ausführungsform wird Differenzstromsignalübertragung mit einem Stromschalter erreicht, der als der Differenzausgangstreiber mit der Schnittstelle verbunden ist und wird ein geschalteter Strom oder eine geschaltete Spannung als das Gleichtaktsignal angelegt.

In einer zweiten Ausführungsform ist eine dritter Draht auf der Datenschnittstelle vorgesehen. Die Größe eines Signals auf dem dritten Draht wird auf eine koordinierte Weise mit dem auf das Differenzpaar eingekoppelte Gleichtaktsignal variiert. Das Gleichtaktsignal und das Signal des dritten Drahts werden verwendet, um ein zweites Datensignal in die gleiche wie das erste Signal oder in die dem ersten Signal entgegengesetzte Richtung differenzmäßig zu übertragen. In einer Variante dieser Ausführungsform wird eine "zweite" Differenzausgangsstufe oder ein Treiber mit einer Gleichtakteinkopplungseinrichtung verwendet, um den dritten Draht und das Gleichtaktsignal der ersten Ausgangsstufe zu treiben. Ein zweites Gleichtaktsignal kann auch durch die zweite Ausgangsstufe eingekoppelt werden. Diese Anordnung ermöglicht, dass sowohl zwei Differenzdatensignale über drei Schnittstellendrähte als auch ein drittes Gleichtaktsignal übertragen werden.

In noch einer dritten Ausführungsform sind zwei Differenzdatenschnittstellen für das Übertragen von zwei binären Datensignalen in die gleiche oder entgegengesetzte Richtung vorgesehen. Jede Schnittstelle hat eine Gleichtakteinkopplungs- und -extraktionsschaltung, so dass ein Gleichtaktsignal über jede zweidrahtige Differenzschnittstelle übertragen werden kann. Die zwei Gleichtaktsignale werden verwendet, um ein drittes binäres Datensignal differenzmäßig zu übertragen. Somit können vier Datendrähte verwendet werden, um drei Differenzsignale zu übertragen. Außerdem kann eine gemeinsame "Gleichtakt"-Signalspannung auf alle vier Drähte eingekoppelt werden, was ermöglicht, dass ein weiteres Datensignal als ein unsymmetrisches Signal geführt wird, wodurch die Datenführungsfähigkeit erhöht wird.

In einer vierten Ausführungsform, die eine Modifikation der dritten Ausführungsform ist, werden die zwei eingekoppelten Gleichtaktsignale von einer dritten Ausgangsstufe erzeugt, die mit den Einkopplungsschaltungen in den zwei Ausgangsstufen verbunden ist, die die Schnittstelle treiben. Die eingekoppelten Gleichtaktsignale werden verwendet, um sowohl ein Differenzdatensignal als auch ein zusätzliches Gleichtaktsignal zu übertragen. In dieser Ausführungsform werden vier Ausgangsdrähte verwendet, um vier Datensignale zu übertragen, von denen drei Differenzdatensignale sind und das vierte ein unsymmetrisches Gleichtaktsignal ist. Wie in den vorherigen Ausführungsformen kann der Datenfluss in jede Richtung gehen. Dies ist eine wesentliche Verbesserung gegenüber herkömmlichen Differenzschnittstellen, wo nur zwei Datensignale über vier Drähte übertragen werden.

Gemäß der Erfindung können Differenzeingangs und -ausgangsstufen mit Gleichtakteinkopplungs- und -extraktionsschaltungen in einer großen Vielfalt von Weisen kombiniert werden, um die Anzahl von über Differenzdatenpaare übertragenen Datensignalen zu erhöhen. Infolgedessen kann der Datendurchsatz auf einer gegebenen Anzahl von zweidrahtigen Differenzschnittstellen erhöht werden, um dem einer unsymmetrischen Datenübertragung (d.h. einem Bit pro Draht) äquivalent zu sein, während er die Vorteile von niedrigem Energieverbrauch und hoher Rauschimmunität von Differenztaktübertragung bewahrt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die vorhergehenden und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden leichter aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Zeichnungen von erläuternden Ausführungsformen der Erfindung ersichtlich. In denen ist:

1 eine Transformator-basierte Phantomschaltung, die in Telefonieanwendungen verwendet wird;

2a ein Schaltungsdiagramm einer Datenschnittstelle gemäß der Erfindung;

2b ein Teil der Datenschnittstelle aus 2a, der eine bidirektionale Gleichtaktsignalübertragungsanordnung aufweist;

2c ein Schaltungsdiagramm eines bidirektionalen Differenz- und Gleichtaktschaltschnittstellenpuffers;

2d ein Blockdiagramm eines Multiportbusses, der die bidirektionale Schnittstelle aus 2C verwendet;

2e ein Schaltungsdiagramm eines grundlegenden Empfängers für auf einer Differenzschnittstelle übertragene Gleichtaktsignale;

3 ein Blockdiagramm einer dreidrahtigen Datenschnittstelle gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;

4 ein Blockdiagramm einer vierdrahtigen Datenschnittstelle gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;

5 ein Blockdiagramm einer vierdrahtigen Datenschnittstelle gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung;

6 ein Blockdiagramm einer hybriden dreidrahtigen Schnittstelle gemäß noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung;

7 ein Schaltungsdiagramm eines alternativen Differenz- und Gleichtaktdatensenders gemäß der Erfindung; und

8 ein Schaltungsdiagramm eines alternativen Differenz- und Gleichtaktdatensenders gemäß der Erfindung, der eine dreidrahtige Schnittstelle verwendet.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜRHUNGSFORMEN

Ein Schaltungsdiagramm einer digitalen All-Pass-Datenschnittstelle, die Differenz- und Gleichtaktsignalübertragung gemäß der Erfindung kombiniert, ist in 2a gezeigt. Die Schnittstelle hat eine Ausgangsstufe 30 und eine Eingangsstufe 31. Die Ausgangsstufe 30 weist eine Differenzschaltschaltung 32 mit einer hohen Bandbreite und vorzugsweise einem All-Pass und eine Gleichtakteinkopplungsschaltung 47 auf. Die Eingangsstufe 31 weist einen Differenzempfänger 41 mit einer Gleichtaktextraktionsschaltung 49 auf. In den in den Figuren erläuterten Schaltungen sind herkömmliche Widerstände erläutert. Jedoch versteht sich, dass der Widerstand unter Verwendung anderer Widerstands-Vorrichtungen, wie z.B. geeignet vorgespannter MOS-Transistoren, oder einer Kombination von passiven und aktiven Komponenten, implementiert werden kann.

Die Schaltschaltung 32 liefert ein Paar Differenzsignale auf der Schnittstelle 34, 36 als Antwort auf ein erstes digitales Datensignal D0. Die Gleichtakteinkopplungsschaltung 47 liefert ein Gleichtaktsignal entsprechend einem zweiten Digitaldatensignal D1. Das Gleichtaktsignal wird auf eine Weise, die die Differenzsignale in dem im Wesentlichen gleichen Ausmaß ändert, auf jedes Differenzsignal eingekoppelt. Da der Unterschied zwischen den Differenzsignalen im Wesentlichen gleich bleibt, bleiben die differenzmäßig übertragenen Daten unverändert. Das eingekoppelte Gleichtaktdatensignal D1 kann dann getrennt von der Extraktionsschaltung 49 extrahiert werden.

In der bevorzugten Ausführungsform ist die Differenzschaltschaltung 32 ein Stromschalter, der einen Strom I von einer angepassten Stromquelle und -senke 33, 35 durch Schalterpaare SA, SB, Drähte 34, 36 und eine angeschlossene Last, hier die Eingangsstufe 31, liefert. Die Schalter SA und SB können auf eine komplementäre Weise betätigterden, so dass, wenn ein Paar offen ist, das andere geschlossen ist. Der Zustand der Schalter steuert die Richtung des Stromflusses durch die Schnittstelle 34, 36. Das Stromsignal auf den zwei Drähten bildet ein Differenzdatensignal. Die Richtung des Stromflusses wird von einem Komparator 41 detektiert, der den Spannungsabfall über einer Widerstandsvorrichtung, wie z.B. Widerständen 38, 40, misst. Die Polarität des gemessenen Spannungsabfalls zeigt die Polarität des übertragenen Datenbits an. Hier wird der Zustand der Schalter SA, SB von dem digitalen Datenbit D0 gesteuert, so dass, wenn zum Beispiel D0 hoch ist, die Schalter SA geschlossen sind, während die Schalter SB offen sind.

Alternativ kann Differenzspannungsschalten verwendet werden. In diesem Fall wird einer von zwei verschiedenen Spannungspegeln an jeden Draht 34, 36 angelegt. Die angelegten Spannungen werden mittels komplementärer Schaltern gewählt, die von z.B. dem Datenbit D0 getrieben werden. Der Wert von D0 wird durch das Messen des Spannungsunterschieds zwischen den zwei Drähten bestimmt, um zum Beispiel zu bestimmen, welcher Draht eine höhere Spannung hat. Da kontinuierlicher Strom nicht durch die Schnittstelle fließen muss, um Spannungspegel zu übertragen, müssen Schnittstellendrähte 34, 36 keine geschlossene Schleife bilden, wie es in einem Stromsignalübertragungsschema erforderlich ist. Spannungssignalübertragung ist untenstehend detaillierter erörtert.

Eine Gleichtakteinkopplungsschaltung 47 ist vorgesehen, um eine Gleichtaktspannung oder einen Gleichtaktstrom in die Schnittstelle 34, 36 einzukoppeln. In der bevorzugten Ausführungsform weist die Einkopplungsschaltung 47 zwei über der Schnittstelle 34, 36 in Reihe platzierte Widerstände 42 und 44 auf. Ein Strom oder eine Spannung wird zwischen den Widerständen 42, 44 an einem Knoten 46 eingekoppelt. Eine Gleichtaktextraktionsschaltung 49 ist an dem entgegengesetzten Ende der Schnittstelle vorgesehen und weist hier über der Schnittstelle 34, 36 in Reihe platzierte Widerstände 38 und 40 auf. Das eingekoppelte Gleichtaktsignal wird von der Stelle zwischen den Widerständen 38, 40 an dem Knoten 48 extrahiert. In der in 2 gezeigten Ausführungsform ist die Einkopplungsschaltung 47 in der Ausgangsstufe 30 und ist die Extraktionsschaltung 49 in der Eingangsstufe 31. Jedoch kann die Position der Einkopplungs- und der Extraktionsschaltung 47, 49 so geschaltet sein, dass der Gleichtaktdatenfluss dem Differentialtaktdatenfluss entgegengesetzt gerichtet ist.

Wie erläutert, fließt, wenn das Schalterpaar SA geschlossen ist und SB offen ist, ein Teil des Stroms I von der Stromquelle 33 durch den Draht 34, die Extraktionswiderstände 38 und 40 in der Empfangsstufe 31 und dann zurück durch den Draht 36 zur Ausgangsstufe 30. Der Rest des Stroms fließt durch die Einkopplungsschaltungswiderstände 42, 44. Vorzugsweise werden die Größen der Widerstände 38, 40, 42 und 44 relativ zu der Impedanz der Schnittstelle gewählt, um eine symmetrische Schaltung zu schaffen, in der die Hälfte des Stroms I durch die Schnittstelle fließt und die Hälfte durch die Einkopplungsschaltung fließt. Das Umkehren des Zustandes der Schalter SA, SB kehrt die Richtung des Stromflusses um. Die Polarität des Spannungsabfalls über den Widerständen 38 und 40 wird z.B. von einem Komparator 41 detektiert, um die Richtung des Stromflusses und folglich den Wert des ersten übertragenen Datensignals D0 zu bestimmen.

Gemäß der Erfindung wird ein Gleichtaktdatensignal, das ein Strom oder eine Spannung sein kann, durch die Einkopplungsschaltung 47 an dem Knoten 46 auf die Schnittstelle 34, 36 eingekoppelt. Die Schaltung ist so konfiguriert, dass das eingekoppelte Signal im Wesentlichen gleichmäßig über die zwei Schnittstellendrähte 34, 36 verteilt wird und deshalb das zugrunde liegende Differenzsignal nicht beeinflusst. Das eingekoppelte Gleichtaktsignal wird an dem Knoten 48 in der Extraktionsschaltung 49 extrahiert.

Für die Gleichtaktspannungssignalübertragung wird ein Gleichtaktspannungssignal, das ein zweites binäres Datensignal D1 darstellt, vorzugsweise von einem Schalter 50 eingekoppelt, der von dem Signal D1 gesteuert wird, das einen von zwei Differenzspannungspegeln VH und VL auswählt. Die Größe der eingekoppelten Spannung zeigt den Wert von D1 an. Da die Stromquelle 33 und die Stromsenke 35 angepasst sind und nur einen Gesamtstrom I unterstützen, kann möglicherweise kein zusätzlicher Strom durch sie geliefert oder abgeleitet werden. Deshalb fließt, wenn irgendein Strom i an dem Knoten 46 eingekoppelt wird, dieser durch die Drähte 34 und 36 und kann das Signal von dem System an dem Knoten 48 durch das Signal 52 entfernt werden. Wenn im Wesentlichen kein Strom von dem Knoten 48 gezogen wird, wie es geschehen würde, wenn das extrahierte Signal 52 an eine Vorrichtung mit einer sehr hohen Impedanz, wie z.B. einen Operationsverstärker, angelegt wird, wird der Strom zu der Quelle analog zu dem gut bekannten Reflektionseffekt in Quellenanschlussleitungstreibern zurück reflektiert und wird nur das Gleichtaktspannungssignal übertragen.

Obwohl der elektrische Widerstandswert der Widerstände 38, 40, 42 und 44 auf verschiedene relative Werte entsprechend den System- und Konstruktionsanforderungen eingestellt werden kann, sind die Widerstandswerte der Widerstände 38, 40, 42 und 44 vorzugsweise gleich, so dass jeder beliebige Strom, der entweder beabsichtigterweise oder auf Grund inhärenter Kapazitäten des Systems eingekoppelt wird, gleichmäßig durch beide Signalpfade fließt und somit den Strom in den Differenzsignalkomponenten auf den Drähte 34 und 36 beeinflusst. Am besten sind die Größen der Widerstände 38, 40, 42 und 44 äquivalent und so gewählt, dass sie eine symmetrische Impedanz schaffen.

In einer symmetrischen Schaltung fließt ein an dem Knoten 46 eingekoppelter und an dem Knoten 48 extrahierter Strom i gleichmäßig durch beide Drähte 34, 36 in der Schnittstelle, so dass, wenn das Schalterpaar SA geschlossen ist, ein Strom von 0,5I + 0,5i in dem Draht 34 fließt und –0,5I + 0,5i in dem Draht 36 fließt. Da beide Differenzsignalkomponenten gleichermaßen beeinflusst werden, wird der Differenzstromfluss nicht beeinflusst. In einer Gleichtaktstromsignalübertragungsanordnung wird die Größe des eingekoppelten Stroms i gemäß D1 variiert.

Es ist zu erkennen, dass jeder beliebige Typ von digitalen Daten unter Verwendung von Gleichtaktdatensignalübertragung übertragen werden kann. Folglich kann das Treiben des digitalen Datensignals D1 Zeitsteuerungs- oder Steuerdaten, wie z.B. Taktsignale, Aktivierungssignale usw., aufweisen. Außerdem können die Gleichtaktdaten D1 mit Differenzdaten D0 synchronisiert oder unabhängig geschaltet werden.

In der in 2a gezeigten Schaltung hat der Ausgang D2 auf dem Draht 52 die Attribute einer unsymmetrischen Datenübertragung, im Gegensatz zu einer Differenzübertragung, da der Wert von D1 allgemein von der absoluten Größe des gleichtakteingekoppelten Stroms abhängt. Da unsymmetrische Datenübertragung relativ anfällig für Rauschen ist, kann ein (nicht gezeigtes) Tiefpass-RC-Filter verwendet werden, um das Signal bei Bedarf zu glätten.

Obwohl die in 2a offenbarte Schnittstelle aus diskreten Komponenten gebildet sein kann, ist sie vorzugsweise in einer integrierten Schaltung ("IC") gebildet und wird für den Eingang und Ausgang von der IC verwendet, um getrennte integrierte Schaltungen zu verbinden. Die Schaltung wird vorzugsweise unter Verwendung von CMOS-Technik hergestellt, aber es kann jeder beliebige Typ von Vorrichtung, wie z.B. bipolare Transistoren, verwendet werden. In der IC-Konfiguration könnte die Ausgangsstufe 30 auf einem Chip und die Eingangsstufe 31 auf einem zweiten Chip hergestellt werden. Alternativ können beide Teile der Schaltung auf einer einzelnen IC enthalten sein und verwendet werden, um verschiedene Schaltungselemente auf der IC zu verbinden. In diesem Fall wird vorzugsweise eine Differenzspannungsübertragung verwendet. In einer anderen Anordnung kann ein Eingangs- und Ausgangspuffer gemäß der Erfindung verwendet werden, um separate ICs durch Drähte auf einer Leiterplatte, einer Rückwandplatine oder in einem Kabel zu verbinden. Die Datenschnittstelle 34, 36 wird vorzugsweise aus symmetrischen Übertragungsdrähten gebildet. Die Impedanzen der Übertragungsdrähte und der Eingangs- und Ausgangsstufenwiderstände 38, 40, 42, 44 werden so gewählt, dass sie geeignet angepasste Eingangs- und Ausgangsimpedanzen schaffen.

Anders als auf Transformatoren basierende Phantomschaltungen des Standes der Technik, wie in 1 gezeigt, ist eine Schaltschnittstelle gemäß der vorliegenden Erfindung gut für synchrone oder asynchrone digitale Kommunikation mit hoher Geschwindigkeit geeignet. Die analoge Transformatorkopplung, die auf der Phantomschaltungen basiert, begrenzt die Bandbreite der Schaltung wesentlich. Im Gegensatz dazu unterstützt die Stromschaltanordnung mit Gleichtakteinkopplung eine Signalfrequenz von D.C. bis zu der von der Schaltung unterstützten Höchstschaltgeschwindigkeit, die bis zu mehreren GHz sein kann. Die Verwendung von eingekoppelter Gleichtaktsignalübertragung ermöglicht es, dass ein zweites Datensignal in jede Richtung über der Differenzschnittstelle übertragen wird, ohne das Differenzsignal zu stören. Diese Anordnung schafft einen erhöhten Datendurchsatz, ohne den grundlegenden Differenzsignalpfad zu opfern.

Da die Richtung des Gleichtaktdatensignalflusses von dem Differenzdatenfluss unabhängig ist, können Mechanismen geschaffen werden, um die Richtung des Gleichtaktdatenflusses gemäß verschiedenen Systemanforderungen dynamisch zu variieren. Zum Beispiel zeigt 2b ein Schaltungsdiagramm der in 2a gezeigten Extraktionsschaltung 49, das ferner einen bidirektionalen Schaltmechanismus aufweist. Ein komplementäres Paar Schalter 70, 72 verbindet den Knoten 48 mit entweder einem Gleichtaktempfangssignal 52 wie in 2a, oder einem Gleichtakteinkopplungssignal wie z.B. VH und VL, die auf Signal 74 geführt werden. Eine ähnliche Schaltung ist für die Einkopplungsschaltung 47 vorgesehen, nur dass sie auf eine komplementäre Weise betrieben wird. Diese Anordnung schafft eine unidirektionale Differenzdatenschnittstelle mit einer bidirektional eingekoppelten Gleichtaktübertragung. Herkömmliche Quittungs (hand-shaking)-Techniken können verwendet werden, um Logikschaltungen für das Schalten der Richtung des Gleichtaktdatenflusses zum Beispiel als Antwort auf eine Systemlast zu steuern oder Anhäufungen von Datenverkehr mit hohem Volumen unterzubringen. In einigen Anwendungen ist es vorteilhaft, in der Lage zu sein, Gleichtaktdaten bei ihrer Übertragung zu überwachen. Um das zu erreichen, kann der Schalter 70 entfernt werden und können die ausgehenden Daten jederzeit über das Empfangssignal 52 überwacht werden.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung können die Schaltungen aus 2a und 2b in eine in 2c gezeigte einzige Daten-Sender-Empfängereinheit 80 kombiniert werden, die Differenz- und Gleichtaktsignale sowohl übertragen als auch empfangen kann. Die Einheit 80 weist einen Stromschalter 32 wie in 2a, auf. Die Schalterpaare SA und SB in dem Stromschalter 32 können von den Daten D0 getrieben werden, wie in 2a gezeigt, und auch in eine Tri-state-Konfiguration versetzt werden, während der die Schalterpaare SA und SB beide offen sind. Wenn der Stromschalter 32 auf diese Weise in einem Tri-state-Zustand betrieben wird, wird er wirksam von der Schnittstelle getrennt. Ein Reihenpaar Widerstände 42, 44 mit einem zentralen Knoten 46 ist mit dem Stromschalter wie in 2a verbunden. Wahlweise können einer oder mehrere Schalter 82, 84 mit den Widerständen 42, 44 in Reihe geschaltet sein, um zu ermöglichen, dass die Lastwiderstände von der Schnittstelle 34, 36 bei Bedarf getrennt werden, zum Beispiel in einer Multiportbuskonfiguration, wie unten erörtert.

Außerdem ist der Komparator 41, Teil der Eingangsstufe in 2a, quer zu den Widerständen 42, 44 verbunden. Letztendlich ist eine bidirektionale Gleichtakteinkopplungs- und -extraktionsanordnung, wie in 2b gezeigt, mit dem Knoten 46 verbunden.

Um Differenzstromsignale zu übertragen, wird der Stromschalter 32, wie obenstehend besprochen, von der Eingabe D0 gesteuert. Die Schalter 82 und 84 werden geschlossen, wenn ein Lastwiderstand 42, 44 bereit gestellt werden muss. Um Differenzstromsignale zu empfangen, wird der Stromschalter 32 in den Tri-state-Zustand versetzt und wird der Komparator 41 verwendet, um das Differenzstromsignal über die Widerstände 42, 44 zu detektieren. Um Gleichtaktsignale einzukoppeln, werden die Widerstände 42, 44 quer zum Netzwerk verbunden, wird der Schalter 72 geschlossen und wird die Gleichtaktspannung wie obenstehend beschrieben an dem Knoten 46 gemäß dem Wert von D1 eingekoppelt. Um unter Verwendung dieser Schaltung ein Gleichtaktsignal zu empfangen, wird der Schalter 70 geschlossen und wird das Gleichtaktsignal über den Draht 52 extrahiert, wie bezüglich 2b beschrieben.

Da die Einheit 80 sowohl bidirektional als auch selektiv verbindbar ist, können mehrere Einheiten verbunden werden, um einen Multiportbus zu bilden, wie in 2d gezeigt. Die Einheit 80 ist als eine Sendeeinheit und die Einheit 80' als eine Empfangseinheit konfiguriert. Wie aufgezeigt, sind die Lastwiderstände 42, 44 in beiden Einheiten 80, 80' verbunden. Außerdem ist die Einheit 80'' auch mit dem gemeinsamen Bus verbunden. Da die Einheiten 80 und 80' beide einen Lastwiderstand auf der Schnittstelle schaffen, kann die Einheit 80'' das Differenzsignal D0 durch das Versetzen in drei Zustände des Stromschalters überwachen, wodurch die Widerstände 42, 44 getrennt werden und die Ausgabe des Komparators 41 beobachtet wird.

Es ist zu erkennen, dass in dieser speziellen Konfiguration die Einheit 80'' das Gleichtaktsignal nicht überwachen kann, ohne die Widerstände 42, 44 mit der Schnittstelle zu verbinden, da sie einen Gleichtaktextraktionspunkt schaffen. Unter manchen Umständen ist es vorzuziehen, in der Lage zu sein, den eingekoppelten Gleichtaktspannungssignalen "zuzuhören", ohne eine wesentliche Strommenge ziehen zu müssen, um die Strompegel auf der Schnittstelle nicht zu stören. Ein Empfänger 100, der diese Anforderung erfüllt, ist in 2e erläutert. Der Empfänger 100 ist in einer gleichzeitig anhängenden US-Patentanmeldung mit dem Titel "Receiver for Common Mode Signals Transmitted on a Differentiel Interface", eingereicht am gleichen Tag wie die vorliegende Erfindung, beschrieben.

Kurz gesagt, weist der Empfänger 100 einen modifizierten Differenzverstärker mit Transistoren 102, 104 auf, die parallel zwischen eine Widerstandslast 106 und einen Stromtreiber 108 geschaltet sind. Die Transistoren 102, 104 werden mit den Differenzspannungen auf der Schnittstelle 34, 36 getrieben, deren Spannungen von den Differenzstromsignalen von z.B. der Puffereinheit 80 erzeugt werden. In dieser Konfiguration ist die Ausgangsspannung 110, die von der Gesamtimpedanz der Transistoren 102, 104 abhängig ist, im Wesentlichen proportional zu der auf der Schnittstelle erscheinenden Gesamtspannung und kann deshalb verwendet werden, um die eingekoppelten Gleichtaktdaten D1 zu bestimmen.

Obwohl Differenzstromsignalübertragung mit eingekoppelter Gleichtaktspannung obenstehend als eine bevorzugte Ausführungsform erörtert wurde, sind andere Anordnungen möglich. Insbesondere kann Differenzspannungssignalübertragung verwendet werden, wo der relative Spannungsunterschied zwischen den zwei Differenzsignalkomponenten die übertragenen Datenbits anzeigt und die Summe, der Durchschnitt oder eine andere geeignete Kombination der Differenzsignale das Gleichtaktsignal anzeigt.

Zum Beispiel können zwei Drähte, die VH bzw. VL tragen, ein logisches Hoch anzeigen, während das Schalten der Spannungen auf VL und VH ein logisches Tief anzeigt. Unter beiden Umständen wäre ein Gleichtaktwert zum Beispiel (VL + VH)/2. Ein Gleichtaktspannungssignal wird durch das Pegelschieben beider Differenzkomponenten um den gleichen Betrag eingekoppelt. Zum Beispiel würden die Differenzkomponenten, um eine Gleichtaktspannung VC einzukoppeln, auf VH + VC und VL + VC verschoben. Das übertragene Differenzsignal kann durch das Anlegen der Differenzsignalkomponenten an einen Komparator und das Bestimmen, welche Komponente die größere Spannung hat, extrahiert werden. Der Gleichtaktsignalpegel wird durch das Anlegen der Differenzkomponenten an eine Schaltung vom Summier- oder Mittelungstyp extrahiert. Verschiedene Typen von Spannungspegelschiebeeingangsschaltungen und Spannungskombinationsausgangsschaltungen können verwendet werden. Diskrete Pegelschiebe- und Kombinationsschaltungen sind dem Fachmann gut bekannt.

Jetzt wird mit Bezug auf 3 eine andere Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Die Ausgangsstufe 30 und die Eingangsstufe 31 sind wie in 2a gezeigt konfiguriert. Eine dritte Schnittstellenleitung 54 ist vorgesehen und durch einen Schalter 56 sowohl mit VH als auch VL verbunden. Schalter 50 und 56, die die Spannung auf den Signalen 45 bzw. 54 steuern, werden von einem zweiten binären Datensignal D1 auf eine komplementäre Weise so gesteuert, dass die Spannungssignale 45 und 54 den Wert von D1 differenzmäßig darstellen. Mit anderen Worten wird eine Differenzkomponente von D1 als ein Gleichtaktsignal über die Schnittstelle 34, 36 eingekoppelt und wird die andere Komponente über den dritten Draht 54 geführt. Die Gleichtaktsignalkomponente wird in der Eingangsstufe 31 extrahiert und in Verbindung mit der Spannung auf dem Draht 54 verwendet, um den übertragenen Wert von D1 zu bestimmen. Vorzugsweise wird dies durch das Anlegen der zwei Differenzspannungskomponenten von D1 an die Eingänge eines Komparators 58 erreicht.

Noch eine andere Ausführungsform der Erfindung ist in 4 erläutert. Diese Ausführungsform ist der in 3 gezeigten ähnlich. Jedoch wird die Spannung, statt auf einem separaten Draht 54 zu basieren, um eine der D1 Differenzkomponenten zu führen, als ein eingekoppeltes Gleichtaktsignal in einem Differenzsignal geführt, das auf zwei zusätzlichen Drähten geführt wird. Der obere Teil der Schaltung, der die Ausgangsstufe 30 und die Eingangsstufe 31, die durch die Drähte 34 und 36 verbunden sind aufweist, und das Datensignal D0 und die auf dem Signal 45 zugeführten und auf dem Signal 52 ausgegebenen Gleichtaktdaten überträgt, ist der gleiche wie in 3.

In dem unteren Teil wird die hinzugefügte Datenleitung 54 nicht als eine Schnittstellenleitung selbst verwendet, sondern speist stattdessen ein Gleichtakteinkopplungssignal in die Ausgangsstufe 30' (und wird deshalb auch als Signal 45' gezeigt). Die Ausgangsstufe 30' überträgt ein Differenzdatensignal D0' über eine zweidrahtige Schnittstelle 34', 36' an eine Eingangsstufe 31', wo die Differenzdaten auf die oben erörterte Weise extrahiert werden. Außerdem wird die Gleichtaktsignaleingabe auf dem Signal 54 von der Extraktionsschaltung 31' als die Gleichtaktausgabe 52' übertragen und extrahiert. Das Huckepack-Differenzdatensignal D1, das von den zwei eingekoppelten Gleichtaktsignalen übertragen wird, wird durch das Anlegen der Gleichtaktsignale 52, 52' an die Eingänge des Komparators 58 abgerufen. In dieser Anordnung können drei Differenzdatensignale über zwei Differenzpaare gesendet werden. Zwei der Datensignale werden durch Differenzstrom signalübertragen und das dritte ist ein Differenzspannungssignal, das als in die Differenzpaare eingekoppelte Gleichtaktsspannungen geführt wird. Diese Anordnung, wie auch die aus 3, stellt die Gleichtaktspannungssignalübertragung dar, da im Wesentlichen kein Strom von dem Komparator 58 gezogen wird und jeglicher eingekoppelte Strom zu der Quelle hin rückreflektiert wird.

Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung kann die in 4 gezeigte Schaltung so modifiziert werden, dass die Übertragung eines unsymmetrischen Gleichtaktsignals zusätzlich zu dem gleichtaktübertragenen Differenzsignal durch die Verwendung der zwei Gleichtaktsignale, die über die Differenzpaare übertragen werden, um ein anderes Gleichtaktsignal zu tragen, dessen Größe einen vierten Datenwert darstellt, zu ermöglichen. In einer Anordnung wird dieses zusätzliche Gleichtaktsignal durch das gleichzeitig Ändern des Werts der eingekoppelten Spannungen VH und VL um den gleichen Betrag erzeugt. Da der Unterschied zwischen den zwei Spannungspegeln nicht geändert wird, bleibt das Differenzsignal konstant. Die übertragene Größe des Differenzsignals kann durch das Anlegen der extrahierten Spannungssignale an eine Mittelungsschaltung bestimmt werden.

In der in 5 gezeigten bevorzugten Ausführungsform dieser Anordnung wird Gleichtaktstromsignalübertragung statt Spannungssignalübertragung verwendet. Stromsignalübertragung hat den Vorteil, dass die Differenzstromsignalübertragungsstufen 30, 31 leicht auf eine hochgradig regelmäßige Art miteinander verbunden werden können, was ein Vorteil für die Schaltungskonstruktion ist. Jede der Differenzschnittstellen ist konfiguriert wie in 2a gezeigt. Die Ausgangsstufe 30'' ist dafür konfiguriert, das Datensignal D1 zu empfangen und es als ein Differenzstromsignal über die Drähte 34'' und 36'' zu übertragen. Diese Drähte sind wie erläutert jeder mit den Gleichtakteinkopplungseingängen 45, 45' der Ausgangsstufen 30, 30' verbunden.

Wie obenstehend erörtert, wird, da die Stromquellen und -senken in den Ausgangstreibern 30, 30' die bezogene und abgeleitete Strommenge festlegen, der zusätzliche Strom von der Ausgangsstufe 30'', der in die Ausgangsstufen 30 und 30' eingekoppelt wird, in der Form eines Gleichtaktstromsignals über die Drähte 34 und 36 verteilt. Dieses Signal wird an der Eingangsstufe 31 extrahiert und auf dem Signal 52 geliefert. Auf ähnliche Weise wird die Differenzsignalkomponente des Stroms auf dem Signal 36'' durch die Ausgangsstufe 30' und die Schnittstellendrähte 34', 36' an die Eingangsstufe 31' angelegt, wo sie auf dem Signal 52' extrahiert wird. Der eingekoppelte Strom kann nicht zurück in eine beliebige der Stromsenken fließen und wird so als Differenztaktstromsignalkomponenten 52, 52' extrahiert, die an die Eingangsstufe 31'' angelegt werden, wo sie verwendet werden, um das übertragene Datensignal D1 zu reproduzieren.

Ein viertes Gleichtaktspannungsdatensignal D2 wird durch das Anlegen einer Spannung an das Signal 45'', wie z.B. VH und VL, übertragen. Die Gleichtaktspannung wird über die Datenschnittstellendrähte 34, 36, 34' und 36' übertragen und als das Signal 52'' in der Eingangsstufe 31'' auf eine der oben erörterten ähnliche Art extrahiert. Diese Anordnung schafft deshalb drei Datensignale, die unter Verwendung von Differenztaktstromsignalübertragung über zwei Paare Drähte zu übertragen sind und ein viertes Datensignal, das unter Verwendung von Gleichtaktspannungssignalübertragung zu übertragen ist.

Die in 5 gezeigte Konfiguration ist auch für die in Bezug auf 2c2e oben erörterte Multiportbuskonfiguration geeignet. Anstatt eine separate Eingangs- und Ausgangsstufe zu verwenden, können bidirektionale Einheiten 80 in die "Baum"-Ein-/Ausgangsanordnung verkettet werden, ähnlich der in 5 gezeigten Anordnung. Die Anordnung der mit der "Seite" der Schnittstelle verbundenen Einheiten 80 verbindet die vierdrahtige Schnittstelle auf eine zu der in 2d gezeigten analoge Weise.

Verschiedene andere Formen des in 5 gezeigten Datenausgabenetzwerks können implementiert werden. In einer besonderen Ausführungsform wird eine Byte-breite Datenschnittstelle mit einem Taktgeber unter Verwendung von drei Sätzen der Zweiebenennetzwerke aus 5 gebildet. Jedes Zweiebenennetzwerk unterstützt drei differenzmäßig signalübertragene Datenbits. Das kombinierte Netzwerk kann folglich 8 Datenbits übertragen und zum Beispiel ein Taktsignal unter Verwendung von Differenzsignalübertragung über nur sechs Paare Schnittstellendrähte, verglichen mit den neun Paaren, die bei der Verwendung von herkömmlicher Differenzsignalübertragung mit zwei Drähten pro Bit notwendig sind. Außerdem schafft das Byte-breite Netzwerk gemäß der Erfindung auch drei Gleichtaktdatenbits, die verwendet werden können, um verschiedene Systemprotokolle oder Steuersignale in beide Richtungen zu übertragen, ohne zusätzliche Signalverbindungen zu benötigen.

Alternativ können mehrere Schichten von GleichtakteinkopplungsDifferenzschnittstellen auf diese Weise kombiniert werden. Zum Beispiel können zwei Sätze von Zweiebenenschaltungen wie in 5 gezeigt vorgesehen sein, wo die Dateneingaben für D2 von einer Differenzausgangsstufe 31''' der dritten Ebene geliefert werden, um dadurch zu ermöglichen, dass sieben Differenzdatenbits über 4 Paare Drähte mit auch einem zusätzlichen Gleichtaktdatensignal übertragen werden. Auf diese Weise können N – 1 Datenbits unter Verwendung von Differenzdatensignalübertragung über N Drähte übertragen werden. Für eine große Anzahl von Bits nähert sich der Differenzsignalübertragene Datendurchsatz dem Datendurchsatz einer herkömmlichen Schnittstelle mit einem Draht pro Bit an, während höhere Rauschimmunitäts- und Energieeigenschaften geschaffen werden.

In einer in 6 gezeigten hybriden Ausführungsform werden drei Drähte verwendet, um zwei Differenzsignale und ein Gleichtaktsignal zu übertragen. Wie gezeigt, werden Daten D0 differenzmäßig durch die Ausgangsstufe 30, das Differenzpaar 34, 36 und die Eingangsstufe 31 übertragen, wie obenstehend besprochen. Außerdem wird ein eingekoppeltes Gleichtaktstromsignal 45 auf dem Paar 34, 36 geführt. Das eingekoppelte Gleichtaktsignal ist eine von einer zweiten Ausgangsstufe 30'' zugeführte Differenzsignalkomponente. Die andere Differenzkomponente 45' der Ausgangsstufe 30'' wird über eine diskrete dritte Schnittstellenleitung 54 übertragen, ähnlich der Anordnung aus 3. Eine Impedanz, wie z.B. Widerstände 60 und 62, wird dem Draht 54 hinzugefügt, um sie bezüglich der von der ersten Differenzkomponente 45 von Stufe 30'' gesehene Impedanz zu symmetrieren. Die Ausgabe 52 von der Stufe 31 und die Stromkomponente auf Draht 54 werden von der Ausgangsstufe 31'' so verarbeitet, dass sie das Differenzdatensignal D1 und das Gleichtaktspannungssignal D2 ergeben.

Diese hybride Anordnung schafft eine wesentliche Erhöhung des Datendurchsatzes im Vergleich zu herkömmlichen Differenzdatenschnittstellen. Während eine herkömmliche Differenzschnittstelle zwei Drähte erfordert, um ein einzelnes Bit zu übertragen, und vier Drähte erfordert, um zwei Bits zu übertragen, unterstützt die Schaltung aus 6 zwei differenzmäßig übertragene Datensignale unter Verwendung von nur drei Drähten und unterstützt als ein zusätzlicher Vorteil ein drittes Gleichtaktdatensignal.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Wirksamkeit der offenbarten Schnittstellen durch das geeignete Steuern der Platzierung der Schnittstellendrähte verbessert. Im Gegensatz zu telefonischen Anwendungen, in denen die Länge und die Ausrichtung eines Paars Drähte verglichen mit einem anderen auf Grund von Schwankungen in der Drahtplatzierung in dem Kabel, Leitungsabgriffen, usw. wesentlich variieren können, ist die Platzierung von Drähten in einer integrierten Schaltung oder auf einer Leiterplatte oder Rückwandplatine unter absoluter Kontrolle des Konstrukteurs. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Platzierung und die Ausrichtung der symmetrischen Schnittstellenleitungen für die offenbarten Schnittstellenschaltungen bewusst so gewählt, dass sie Einheitlichkeit zwischen Gleichtaktsignalen auf verschiedenen Differenzpaaren schaffen. Eine konstante Versetzung für die Drähte in der Schnittstelle garantiert, dass die elektrischen Merkmale der Drähte im Wesentlichen gleichförmig bleiben, wodurch die Rauschwirkung auf die differenzmäßig übertragenen Daten reduziert wird.

Das kann erreicht werden durch das Anordnen der Schnittstellendrähte derart, dass der Mittelpunkt eines Paars Drähte eine relativ konstante Verschiebung von einem dritten Draht oder einem zweiten Paar Drähte hat. Zum Beispiel können die Drähte 34 und 36 mit Bezug auf 6 als parallele Bahnen auf einer Schicht in einer IC oder einem gedruckten Schaltungsanordnungsblock erreicht werden. Der Draht 54 wird dann vorzugsweise gleichweit entfernt von beiden Drähten 34 und 36 platziert, wobei der Abstand zwischen dem Draht 54 und dem Mittelpunkt der Drähte 34 und 36 so eingestellt werden kann, dass er die Gleichtaktimpedanz steuert.

In den oben erörterten Ausführungsformen wurde das Gleichtaktsignal auf der Schnittstelle als Spannung durch eine Gleichtakteinkopplungsschaltung 47 platziert. Eine alternative Anordnung für Datenübertragung unter Verwendung von Differenz- und Gleichtaktdatensignalübertragung ist in 7 gezeigt. In dieser Anordnung wird ein Gleichtaktstromsignal auf eine Weise, die die differenzmäßig übertragenen Datensignalkomponenten gleichmäßig beeinflusst, direkt an die Schnittstelle angelegt und daraus extrahiert.

Jetzt ist mit Bezug auf 7 eine Differenzschaltschaltung 32 gezeigt, die mit symmetrischen Schnittstellendrähten 34 und 36 verbunden ist. Auf ähnliche Weise ist die Differenzschaltschaltung 32' mit den Schnittstellendrähte 34' und 36' verbunden. Die Differenzschaltschaltungen 32 und 32' übertragen jede ein Datensignal als zwei Differenzsignalkomponenten auf eine oben im Detail erörterte Weise.

Gemäß diesem Aspekt der Erfindung ist eine Gleichtaktstromeinkopplungsschaltung 92 vorgesehen, um einen Gleichtaktstrom direkt in eine Schnittstelle 34, 36 einzukoppeln und den Gleichtaktstrom von der anderen Schnittstelle 34', 36' zu extrahieren. Wie erläutert, weist die Einkopplungsschaltung 92 einen ersten Gleichtaktstromschalter 94 und einen zweiten Gleichtaktstromschalter 96 auf. Die Stromschalter 94, 96 sind parallel zwischen eine Stromquelle 98, die einen Strom IC liefert, und eine Stromsenke 100, die einen Strom IC ableitet, geschaltet.

Der Stromschalter 94 weist zwei Paare Schalter SC, SD auf. Die Schalter SC werden verwendet, um selektiv beide Schnittstellendrähte 34, 36 mit der Stromquelle 98 zu verbinden, und die Schalter SD werden verwendet, um beide der Schnittstellendrähte 34, 36 selektiv mit der Stromsenke 100 zu verbinden. Folglich wird, wenn die Schalter SC geschlossen sind, der Strom IC an jeden der Drähte 34, 36 in der Schnittstelle angelegt. Da die Drähte 34 und 36 symmetrisch sind, werden im Wesentlichen gleiche Strommengen in jeden Draht eingeführt, wodurch das von dem Differenzstromschalter 32 übertragene Differenzdatensignal auf diese Art bewahrt wird. Wie obenstehend besprochen, fließt, da die Stromquelle und -senke 33, 35 in dem Differenzstromschalter 32 nur eine festgelegte Strommenge treibt, der zusätzlich bezogene oder abgeleitete Strom IC in eine mit einem gemeinsamem Stromknoten 48 verbundene Last oder wird aus ihr gezogen.

Der Stromschalter 96 weist zwei Paare Schalter SC', SD' auf und arbeitet auf eine ähnliche Weise wie der Stromschalter 94, wodurch beide Schnittstellendrähte 34', 36' selektiv mit entweder der Stromquelle 98 oder mit der Stromsenke 100 verbunden werden. Jedoch ist, wie in der Figur gezeigt, der Schalter 96 auf eine komplementäre Art verbunden. Wenn die Schalter SC' geschlossen sind, ist die Schnittstelle 34', 36' mit der Stromsenke 100 verbunden, und wenn die Schalter SD' geschlossen sind, ist die Schnittstelle 34', 36' mit der Stromquelle 98 verbunden. Der zusätzlich gelieferte oder abgeleitete Strom IC fließt in eine mit einem Knoten 48' verbundene Last oder wird aus ihr gezogen.

Die Knoten 48 und 48' sind durch eine Widerstandslast, wie z.B. Widerstände 102 und 104, miteinander verbunden. Die Stromschalter 94 und 96 werden synchron miteinander betrieben, so dass, wenn der Schalter 94 Strom IC liefert, der Schalter 96 Strom IC ableitet und umgekehrt. Auf diese Weise fließt der eingekoppelte Gleichtaktstrom IC von einer Schnittstelle und in die andere durch die verbindende Widerstandslast. Durch das Steuern der Richtung des Gleichtaktstromflusses können Gleichtaktdaten über die Schnittstelle übertragen werden, ohne das differenzmäßig übertragene Datensignal zu stören. Die gleichtaktübertragenen Datensignal kann durch das Messen des Spannungsunterschieds zwischen den Knoten 48 und 48' extrahiert werden.

Wie erläutert, können die Schnittstellen 34, 36 und 34', 36' von einem Widerstand 90 lokal abgeschlossen werden und können ferner die zwei Schnittstellen über eine lokale Widerstandsvorrichtung, wie z.B. Widerstände 106, 108 miteinander verbunden sein. Obwohl eine solche lokale Verbindung nicht notwendig ist, kann sie nützlich sein, um zu helfen, die Schnittstellen zu symmetrieren. Man beachte, dass, wenn die Schnittstellen lokal verbunden sind, eine entfernte Verbindung (d.h. über die Widerstände 102 und 104) nicht erforderlich ist, da der Strom IC immer noch zwischen den Schnittstellen fließen kann. Der Spannungsabfall über die lokale Verbindung wird über die Schnittstellen verteilt und kann an dem Empfangsende detektierbar sein.

Man kann erkennen, dass in dieser Ausführungsform das Gleichtaktdatensignal als ein erster Gleichtaktstrom in der Schnittstelle 34, 36 und ein zweiter Gleichtaktstrom in der Schnittstelle 34', 36' übertragen wird, der in die dem ersten Gleichtaktstrom entgegengesetzte Richtung fließt und so das Gleichtaktdatensignal auf eine differenzmäßige Weise übertragen wird. Dementsprechend sieht diese Schaltung vor, dass für drei differenzmäßig übertragene Datensignale über zwei Differenzschnittstellenpaare übertragen werden.

8 erläutert eine Variation der in 7 gezeigten Schaltung, die eine dreidrahtige Schnittstelle auf eine der in 6 gezeigten ähnliche Art nutzt. In einer solchen Ausführungsform werden die Drähte 34', 36' durch einen einzigen Draht 110 ersetzt und weist der entsprechende Gleichtaktstromschalter 96 nur ein einziges Schalterpaar auf, das den Draht 110 selektiv mit entweder der Stromquelle 98 oder der Stromsenke 100 entsprechend dem übertragenen Gleichtaktstromsignal verbindet.

Während die Erfindung besonders mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen davon gezeigt und beschrieben wurde, wird der Fachmann verstehen wird, dass verschiedene Änderungen in Form und Details darin gemacht werden können, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel können, während die offenbarten Schaltungen mit Bezug auf Zweiebenendigitaldatensignale erörtert werden, die Schaltungen so modifiziert werden, dass sie mehrstufige Digitalsignale übertragen und empfangen, die mehr als ein Bit Information enthalten.


Anspruch[de]
Schaltung für das Übertragen von digitalen Daten, aufweisend:

einen ersten und einen zweiten Schnittstellenknoten (34, 36); und

eine Differenzschaltschaltung (32), die eine erste und eine zweite Differenzsignalkomponente an dem ersten bzw. dem zweiten Schnittstellenknoten als Antwort auf ein erstes Digitalsignal erzeugt, wobei der Unterschied zwischen der ersten und der zweiten Differenzsignalkomponente den Wert des ersten Digitalsignals anzeigt;

gekennzeichnet durch

eine Gleichtakteinkopplungsschaltung (47), die mit dem ersten und dem zweiten Schnittstellenknoten verbunden ist und ein Gleichtaktsignal an dem ersten und dem zweiten Schnittstellenknoten als Antwort auf ein zweites Digitalsignal einkoppelt, wobei sich das eingekoppelte Gleichtaktsignal in einem im Wesentlichem gleichen Ausmaß auf die erste und die zweite Differenzsignalkomponente auswirkt.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei die Differenzschaltschaltung einen Stromschalter (SA, SB) aufweist. Schaltung nach Anspruch 1, wobei die Gleichtakteinkopplungsschaltung einen zwischen den ersten Schnittstellenknoten und einen Einkopplungsknoten (46) geschalteten ersten Widerstand (42) und einen zwischen den Einkopplungsknoten und den zweiten Schnittstellenknoten geschalteten zweiten Widerstand (44) aufweist, wobei das Gleichtaktsignal an dem Einkopplungsknoten eingekoppelt wird. Schaltung nach Anspruch 1, wobei das eingekoppelte Gleichtaktsignal eine geschaltete Spannung mit einer Größe ist, die von dem zweiten Digitalsignal abhängt. Schaltung nach Anspruch 1, wobei das eingekoppelte Gleichtaktsignal ein geschalteter Strom mit einer Größe ist, die von dem zweitem Digitalsignal abhängt. Schaltung für das Empfangen eines ersten Digitalsignals, das als eine erste und eine zweite Differenzsignalkomponente übertragen wird, und für das Empfangen eines zweiten Digitalsignals, das als ein eingekoppeltes Gleichtaktsignal übertragen wird, das von den Differenzsignalkomponenten getragen wird, wobei die Schaltung aufweist:

einen ersten und einen zweiten Schnittstellenknoten (34, 36);

einen Differenzempfänger (41), der mit dem ersten und dem zweiten Schnittstellenknoten verbunden ist und das erste Digitaldatensignal von der ersten und der zweiten Differenzsignalkomponente extrahiert;

gekennzeichnet durch

eine Gleichtaktextraktionsschaltung (49), die mit dem ersten und dem zweiten Schnittstellenknoten verbunden ist und das zweite Digitalsignal von dem eingekoppelten Gleichtaktsignal, das von der ersten und der zweiten Differenzsignalkomponente getragen wird, extrahiert, wobei sich das eingekoppelte Gleichtaktsignal in einem im Wesentlichem gleichen Ausmaß auf die erste und die zweite Differenzsignalkomponente auswirkt.
Schaltung nach Anspruch 6, wobei die Gleichtaktextraktionsschaltung aufweist:

einen ersten Widerstand (38), der zwischen den ersten Schnittstellenknoten und einen Gleichtaktzugangsknoten (48) geschaltet ist; und

einen zweiten Widerstand (40), der zwischen den Zugangsknoten und den zweiten Schnittstellenknoten geschaltet ist;

wobei das Gleichtaktsignal von dem Zugangsknoten extrahiert wird.
System für das Senden und das Empfangen eines ersten und eines zweiten Digitalsignals über eine Schnittstelle (34, 36) mit einem ersten und einem zweiten Ende, wobei das System aufweist:

eine Differenzschaltschaltung (32), die mit dem ersten Ende der Schnittstelle verbunden ist und eine erste und eine zweite Differenzsignalkomponente als Antwort auf ein erstes Digitalsignal erzeugt, wobei der Unterschied zwischen der ersten und der zweiten Differenzsignalkomponente den Wert des ersten Digitalsignals anzeigt;

einen Differenzempfänger (41), der mit dem zweiten Ende der Schnittstelle verbunden ist und den Wert des ersten Digitaldatensignals entsprechend dem Unterschied zwischen der ersten und zweiten empfangenen Differenzsignalkomponente anzeigt;

gekennzeichnet durch

eine Gleichtakteinkopplungsschaltung (47), die mit einem von dem ersten und dem zweiten Ende verbunden ist und ein Gleichtaktsignal in die Schnittstelle als Antwort auf ein zweites Digitalsignal einkoppelt, wobei sich das eingekoppelte Gleichtaktsignal in einem im Wesentlichem gleichen Ausmaß auf die erste und die zweite Differenzsignalkomponente auswirkt; und

eine Gleichtaktextraktionsschaltung (49), die mit dem anderen von dem ersten und dem zweiten Ende verbunden ist, um das Gleichtaktsignal zu extrahieren.
System nach Anspruch 8, wobei die Gleichtakteinkopplungsschaltung mit der Differenzschaltschaltung verbunden ist und die Gleichtaktextraktionsschaltung mit dem Differenzempfänger verbunden ist. Verfahren für das Übertragen von Digitaldaten, aufweisend:

Erzeugen einer ersten und einer zweiten Differenzsignalkomponente an einem ersten bzw. einem zweiten Schnittstellenknoten (34, 36) als Antwort auf ein erstes Digitalsignal, wobei der Unterschied zwischen der ersten und der zweiten Differenzsignalkomponente den Wert des ersten Digitalsignals anzeigt;

gekennzeichnet durch

Injizieren eines Gleichtaktsignals an dem ersten und dem zweiten Schnittstellenknoten als Antwort auf ein zweites Digitalsignal, wobei sich das eingekoppelte Gleichtaktsignal in einem im Wesentlichem gleichen Ausmaß auf die erste und die zweite Differenzsignalkomponente auswirkt.






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